郝玉濤，劉保國(guó)，王瑞軍，李 塘，萬(wàn) 鵬

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)研究

郝玉濤，劉保國(guó)，王瑞軍，李 塘，萬(wàn) 鵬

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

測(cè)控通信系統(tǒng)是國(guó)際空間站的重要組成部分，可靠的測(cè)控通信系統(tǒng)是確?？臻g站長(zhǎng)期穩(wěn)定在軌運(yùn)行的基礎(chǔ)。對(duì)國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的研究，介紹了國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)的組成，梳理了國(guó)際空間站中繼S系統(tǒng)、中繼Ku系統(tǒng)、空空通信系統(tǒng)的鏈路特性與工作方式，并總結(jié)歸納了國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)多手段備份、采用高性能編碼等特點(diǎn)，以及對(duì)我國(guó)的啟示，能夠?yàn)槲覈?guó)測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展提供借鑒與參考。

國(guó)際空間站；測(cè)控通信系統(tǒng)；跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)；空空通信系統(tǒng)

space-to-space communication system

1 引言

國(guó)際空間站（International Space Station，ISS）是以美國(guó)、俄羅斯為主要參與國(guó)，聯(lián)合日本、加拿大、巴西和歐洲航空航天局11個(gè)成員國(guó)等16個(gè)國(guó)家共同建造和運(yùn)行的大型空間設(shè)施，集中了世界主要航天大國(guó)各種先進(jìn)裝備和技術(shù)力量，其艙段主要包括俄羅斯的“曙光”號(hào)多功能貨艙、“星辰”號(hào)服務(wù)艙、美國(guó)的“團(tuán)結(jié)”號(hào)節(jié)點(diǎn)艙、“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙和加拿大“機(jī)械臂”、日本“希望”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙、歐洲“哥倫布”實(shí)驗(yàn)艙等［1］。

測(cè)控通信系統(tǒng)是國(guó)際空間站最重要的組成部分。國(guó)際空間站每天均需通過(guò)測(cè)控通信系統(tǒng)與地面?zhèn)鬏敳煌?lèi)型的信息數(shù)據(jù)?？煽康臏y(cè)控通信系統(tǒng)，是確保國(guó)際空間站長(zhǎng)期穩(wěn)定在軌運(yùn)行，充分開(kāi)展其各項(xiàng)功能業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。本文對(duì)國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)的中繼S系統(tǒng)、中繼Ku系統(tǒng)、空-空通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析，梳理并歸納出了該系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)我國(guó)測(cè)控通信系統(tǒng)發(fā)展的啟示。

2 國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)組成

國(guó)際空間站主要通過(guò)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）與地面交互雙向話音、視頻、遙測(cè)、遙控及其它載荷等數(shù)據(jù)，近距離空間使用超高頻（Ultra High Frequency，UHF）空空通信系統(tǒng)（Space-to-Space Communication System，SSCS）完成通信任務(wù)［2］。國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 國(guó)際空間站測(cè)控通信鏈路組成Fig.1 The TT&C System of ISS

國(guó)際空間站到地面的中繼傳輸信道包括中繼S鏈路與中繼Ku鏈路，上述鏈路接收并處理通過(guò)NASA的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的地面上行遙控、話音、視頻等信息；同時(shí)將遙測(cè)、話音、視頻等信息下傳至位于白沙的中繼衛(wèi)星地面站，經(jīng)由NASA的綜合服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（NASA Integrated Services Network，NISN）與位于休斯頓的任務(wù)控制中心（Mission Control Center-Houston，MCC-H）完成信息交互。中繼數(shù)據(jù)傳輸鏈路的性能與質(zhì)量要求是誤碼率要低于1×10-5，鏈路余量要求不小于3 dB［2］。

國(guó)際空間站與在軌運(yùn)行的航天飛機(jī)（Space Shuttel Orbiter，SSO）、艙外機(jī)動(dòng)單元（Extravehicularmobility Units，EMU）之間的通信由UHF空空通信系統(tǒng)完成。采用的是時(shí)分多址的方式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型包括話音、遙控和遙測(cè)等。傳輸數(shù)據(jù)誤碼率同樣要求低于1×10-5，鏈路余量要求不小于3dB［2］。

國(guó)際空間站傳輸信息格式服從CCSDS（Consultative Committee for Space Data System）［3］建議的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3 中繼S系統(tǒng)

中繼S系統(tǒng)利用了TDRSS的S波段單址接入（S-band Single Access，SSA）鏈路［4］，它包括了前向SSA鏈路和返向SSA鏈路業(yè)務(wù)，為國(guó)際空間站提供跟蹤、遙測(cè)和遙控（TT&C）數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。國(guó)際空間站中繼S鏈路天線包括一副喇叭天線與一副全向天線，國(guó)際空間站中繼S前向鏈路與返向鏈路的信道特性［2］如表1、表2所示。

表1 國(guó)際空間站中繼S前向鏈路信道特性Table 1 The SSA forward link characteristics of ISS

3.1 前向SSA鏈路

前向SSA鏈路用于支持指令、話音和軌道測(cè)量。分為高速率和低速率兩種模式，在低速率狀態(tài)下不支持話音業(yè)務(wù)［2］。

高速率模式下，前向SSA鏈路為空間站提供一路核心數(shù)據(jù)信道（由遙控指令和文件傳輸組成，數(shù)據(jù)速率為38.175～57.375 kbps）和兩路上行數(shù)字話音信道（每路話音信道在源端采用摩托羅拉公司的殘差期望線性預(yù)報(bào)（MRELP）算法，編碼速率為9.6 kbps）。任務(wù)控制中心將核心數(shù)據(jù)與數(shù)字話音形成CCSDS格式的虛擬信道數(shù)據(jù)單元（Virtual Channel Data Units，VCDU），經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Data Encryption Standard，DES）加密［5］，信道采用RS（252，220）編碼［6］并進(jìn)行了隨機(jī)序列加擾后，形成速率為72 kbps的信道訪問(wèn)數(shù)據(jù)單元（Channel Access Data Unit，CADU）數(shù)據(jù)幀，隨后完成NRZ-L碼至NRZ-M碼的碼型變換后發(fā)往中繼衛(wèi)星地面終端站。中繼衛(wèi)星地面終端站將收到的信號(hào)UQPSK擴(kuò)頻調(diào)制后發(fā)送到中繼衛(wèi)星，經(jīng)星間頻率為2085.6875 MHz的前向信號(hào)發(fā)送至國(guó)際空間站裝配應(yīng)急子系統(tǒng)（Assemby and Contingency Subsystem，ACS），經(jīng)低噪聲放大器接收并解調(diào)、解擴(kuò)形成比特同步流，依次完成NRZM碼至NRZ-L碼的碼型變換、幀同步、解擾與R-S解碼，最后經(jīng)DES解密，還原出VCDU幀，分別通過(guò)話音處理器與分包處理器，解出上行話音與核心數(shù)據(jù)［2］。

應(yīng)急情況或非正常情況下，S頻段單址前向鏈路可轉(zhuǎn)入低速率模式，關(guān)閉話音信道，只傳輸一路6 kbps低速上行遙控?cái)?shù)據(jù)［2］。

國(guó)際空間站中繼前向SSA鏈路示意圖［2］如圖2所示。

3.2 返向SSA鏈路

返向SSA鏈路用于支持關(guān)鍵遙測(cè)、話音和軌道測(cè)量。分為高速率和低速率兩種模式，在低速率狀態(tài)下不支持話音業(yè)務(wù)［2］。

高速率模式下，返向SSA鏈路用于將空間站的遙測(cè)與話音數(shù)據(jù)傳往地面，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括2路下行話音（每路碼速率9.6 kbps，采用MRELP算法編碼，同前向話音）和1路核心遙測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)速率為139.8～159 kbps）。話音與遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后形成VCDU幀，經(jīng)R-S編碼、幀同步、碼型變換后，進(jìn)行碼率為1/2，約束長(zhǎng)度為7的卷積編碼，經(jīng)擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制、上變頻、射頻放大后，經(jīng)星間頻率為2265 MHz的返向信號(hào)發(fā)送到中繼衛(wèi)星，再通過(guò)中繼衛(wèi)星的星地?cái)?shù)傳天線發(fā)往地面站，地面站經(jīng)低噪聲放大器接收，經(jīng)過(guò)解擴(kuò)與解調(diào)形成比特同步流，再經(jīng)維特比譯碼、碼型轉(zhuǎn)換、幀同步與R-S解碼后，形成192 kbps的VCDU幀，分別經(jīng)過(guò)話音處理器和數(shù)據(jù)處理器，解出下行話音與遙測(cè)數(shù)據(jù)［2］。

應(yīng)急情況或非正常情況下，S頻段單址返向鏈路也可轉(zhuǎn)入低速率模式，關(guān)閉話音信道，只傳輸一路12 kbps低速遙測(cè)數(shù)據(jù)［2］。

國(guó)際空間站中繼返向SSA鏈路示意圖［2］如圖3所示。

表2 國(guó)際空間站中繼S返向鏈路信道特性Tab le 2 The SSA return link characteristics of ISS

圖2 國(guó)際空間站中繼前向SSA鏈路示意圖Fig.2 The SSA forward link of ISS

圖3 國(guó)際空間站中繼返向SSA鏈路示意圖Fig.3 The SSA return link of ISS

4 中繼Ku系統(tǒng)

中繼Ku系統(tǒng)利用了TDRSS的Ku波段單址接入（Ku-band Single Access，KuSA）鏈路，包括前向KuSA鏈路和返向KuSA鏈路業(yè)務(wù)，其為國(guó)際空間站提供前返向話音、視頻和高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。國(guó)際空間站Ku鏈路天線為一副1.83 m的可轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面天線，國(guó)際空間站中繼Ku前向鏈路與返向鏈路的信道特性［2］如表3、表4所示。

4.1 前向KuSA鏈路

前向KuSA鏈路主要用于支持話音、視頻和遙控等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

國(guó)際空間站的任務(wù)控制中心位于休斯頓，將話音、視頻與上行遙控等數(shù)據(jù)形成256字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸幀，該幀包含3字節(jié)的同步模式，7字節(jié)的幀頭，230字節(jié)的數(shù)據(jù)域，以及16字節(jié)的RS校驗(yàn)位。形成3 Mbps（最大可擴(kuò)展為12 Mbps）的碼流后，經(jīng)RS（255，239）編碼后發(fā)往中繼衛(wèi)星地面站，經(jīng)BPSK調(diào)制、信號(hào)上變頻后經(jīng)射頻功率放大器發(fā)往中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)往國(guó)際空間站，星間前向Ku頻率為13.775 GHz，空間站通過(guò)天線指向控制，通過(guò)低噪聲放大器接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的前向Ku信號(hào)，經(jīng)BPSK解調(diào)、比特同步后將3 Mbps的前向Ku信號(hào)分解出相應(yīng)的話音、視頻與上行遙控等數(shù)據(jù)［2］。

國(guó)際空間站中繼前向KuSA鏈路示意圖［2］如圖4所示。

4.2 返向KuSA鏈路

返向KuSA鏈路主要用于支持載荷數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和關(guān)鍵遙測(cè)業(yè)務(wù)，可提供4路視頻信號(hào)（含伴音，數(shù)據(jù)速率43.196 Mbps），8路科學(xué)或有效載荷數(shù)據(jù)、1路核心遙測(cè)數(shù)據(jù)［2］。

科學(xué)或有效載荷數(shù)據(jù)、視頻、遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)碼率緩存器后，形成VCDU復(fù)接幀，經(jīng)RS編碼、幀同步后，形成50 Mbps（最大可擴(kuò)展為150 Mbps）的CADU幀，經(jīng)隨機(jī)序列加擾與碼型變換后，經(jīng)BPSK調(diào)制，信號(hào)上變頻，經(jīng)射頻放大器發(fā)射，返向KuSA星間頻率為15.0034 GHz，中繼衛(wèi)星接收并轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)至地面終端站，經(jīng)低噪放接收并下變頻后，通過(guò)BPSK解調(diào)、比特同步與碼型變換后，將50 Mbps的返向KuSA碼流發(fā)往休斯頓任務(wù)控制中心，中心將數(shù)據(jù)隨機(jī)序列解擾、RS解碼后，通過(guò)VCDU幀處理器，將各類(lèi)數(shù)據(jù)分發(fā)至相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理器解出，還原為相應(yīng)的有效載荷數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)［2］。

國(guó)際空間站中繼返向KuSA鏈路示意圖［2］如圖5所示。

表3 國(guó)際空間站中繼Ku前向鏈路信道特性Table 3 The KuSA forward link characteristics of ISS

表4 國(guó)際空間站中繼Ku返向鏈路信道特性Table 4 The KuSA return link characteristics of ISS

5 空-空通信系統(tǒng)

空-空通信系統(tǒng)是UHF時(shí)分復(fù)用（Time-Division-Multiple Access，TDMA）系統(tǒng)，用于空間站、航天飛機(jī)和艙外機(jī)動(dòng)單元之間近距離話音、指令、遙測(cè)等數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)［7］。

空-空通信系統(tǒng)由空間站空-空通信設(shè)備（Space-to-Space Station Radio，SSSR）、軌道航天器空-空通信設(shè)備（Space-to-Space Orbiter Radio，SSOR）和艙外機(jī)動(dòng)單元空-空通信設(shè)備（Space-to-Space Extravehicular Mobility Radio，SSER）組成，每種設(shè)備都包括各自的數(shù)據(jù)DES加密、話音μ律A/D轉(zhuǎn)換、RS編碼、連續(xù)相位頻率頻移鍵控（Continuous Phase Frequency Shift Keying，CPFSK）調(diào)制、發(fā)射系統(tǒng)與相應(yīng)的接收、解調(diào)、RS解碼、話音μ律解壓縮、數(shù)據(jù)DES解密裝置?？?空傳輸?shù)腢HF頻率為414.2 MHz或417.1 MHz，支持傳輸1.024 kbps的遙控、6.4 kbps遙測(cè)與192 kbps高清話音。支持的最大傳輸距離指標(biāo)為：國(guó)際空間站至軌道航天器的空空通信距離為7 km，國(guó)際空間站至艙外機(jī)動(dòng)單元的空空通信距離為80 m，軌道航天器至艙外機(jī)動(dòng)單元以及艙外機(jī)動(dòng)單元之間的空空通信距離為75 m［7］。

空空通信系統(tǒng)信息傳輸［7］示意圖如圖6、圖7所示。

圖4 國(guó)際空間站Ku頻段TDRSS用戶終端前向鏈路Fig.4 The KuSA forward link of ISS

圖5 國(guó)際空間站Ku頻段TDRSS用戶終端返向鏈路Fig.5 The KuSA return link of ISS

圖6 空空通信系統(tǒng)信息傳輸示意圖（空間站接收信息）Fig.6 The functional configuration of SSSR（ISSReceives information）

圖7 空空通信系統(tǒng)信息傳輸示意圖（空間站發(fā)射信息）Fig.7 The functional configuration of SSSR（ISS transm its information）

6 系統(tǒng)特點(diǎn)及對(duì)我國(guó)的啟示

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)際空間站測(cè)控通信體制架構(gòu)的研究，我們可以歸納出以下特點(diǎn)及啟示：

1）依靠天基測(cè)控完成測(cè)控通信任務(wù)

國(guó)際空間站運(yùn)行段與地面的信息數(shù)據(jù)交換通過(guò)中繼鏈路完成［8］。事實(shí)表明，以TDRSS為代表的天基測(cè)控系統(tǒng)是高覆蓋、高碼率、高可靠跟蹤和避免高成本海外建站的最佳途徑。我國(guó)未來(lái)測(cè)控通信系統(tǒng)，也應(yīng)充分發(fā)揮中繼衛(wèi)星測(cè)控通信覆蓋率高，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以天基測(cè)控網(wǎng)為主完成測(cè)控通信任務(wù)，從根本上解決測(cè)控通信的全球覆蓋與大容量信息傳輸問(wèn)題［9］。

2）空間站中繼測(cè)控鏈路天線類(lèi)型應(yīng)全面多樣，提高系統(tǒng)可靠性

國(guó)際空間站中繼鏈路天線共3副，包括中繼S鏈路的喇叭天線與全向天線各一副，中繼Ku鏈路的一副拋物面天線。喇叭天線傳輸話音、遙控、遙測(cè)等數(shù)據(jù)，全向天線傳輸遙控、遙測(cè)數(shù)據(jù)，拋物面天線傳輸話音、遙控、遙測(cè)數(shù)據(jù)及高速率科學(xué)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。三類(lèi)天線業(yè)務(wù)分工明確，關(guān)鍵的遙控、遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸在不同天線上能夠相互備份，極大地提高了國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)的可靠性。另外考慮到中繼S鏈路相比Ku鏈路波束寬度寬，信號(hào)捕獲時(shí)間短，受姿態(tài)變化影響小，捕獲跟蹤相比更加穩(wěn)定、迅速［10］。因此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)借鑒國(guó)際空間站的這種模式，堅(jiān)持中繼S鏈路與Ku鏈路互相補(bǔ)充，共同發(fā)展，積極研究在載人航天器上加裝S頻段寬波束中繼終端天線，提供中繼測(cè)控通信鏈路的可靠性。

3）UHF空空通信鏈路是解決與艙外活動(dòng)單元通信的有效途徑

國(guó)際空間站采用UHF空空通信系統(tǒng)與來(lái)訪的航天飛機(jī)或出艙執(zhí)行任務(wù)的航天員進(jìn)行通信。未來(lái)我國(guó)航天員也存在出艙進(jìn)行設(shè)備維修或其它科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)的需求，如何解決航天員與空間站進(jìn)行測(cè)控通信的難題，國(guó)際空間站給我們提供了UHF空空通信鏈路這種方式作為參考。

4）采用高性能的信道編譯碼方式

空間站測(cè)控通信鏈路普遍采用了卷積、RS等高性能的編碼方式，高性能編碼方式帶來(lái)的編碼增益對(duì)提高測(cè)控通信鏈路余量有極大幫助。我國(guó)后續(xù)測(cè)控通信系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高性能信道編譯碼技術(shù)的深入研究，充分挖潛現(xiàn)有的編碼方式，充分挖掘編碼增益更高、性能更好的編譯碼方式。

5）注重標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和協(xié)議的統(tǒng)一

空間站工程由多個(gè)國(guó)家參與，其測(cè)控通信支持有時(shí)需要調(diào)動(dòng)全球力量，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，便于全球聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)空間站任務(wù)參與天地測(cè)控通信的艙段、設(shè)備眾多，為保證各艙段、各分系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)，必須采用相同的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如CCSDS協(xié)議，增強(qiáng)互操作性和互支持性。我國(guó)未來(lái)測(cè)控通信標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)向CCSDS協(xié)議靠攏，提高天地鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化水平，減輕地面測(cè)控設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的復(fù)雜度，為高頻度航天任務(wù)的測(cè)控支持創(chuàng)造有利條件［11］。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)空間技術(shù)的進(jìn)步和載人航天工程的逐步推進(jìn)，突破與掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)后，我國(guó)將未來(lái)建設(shè)自己的空間站，屆時(shí)將對(duì)未來(lái)測(cè)控通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力、多目標(biāo)支持能力、系統(tǒng)應(yīng)急能力提出更高的要求，借鑒國(guó)際空間站的成果與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展大有裨益。

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Research on TT&C System in International Space Station

HAO Yutao，LIU Baoguo，WANG Ruijun，LITang，WAN Peng
（Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology，Beijing 100094，China）

Telemetry，Tracking and Communication（TT&C）system is an important component of the International Space Station（ISS）.Reliable TT&C system is the foundation to ensure the long term steady operation of ISS.An in-depth comparative study on the TT&C system in ISSwas conducted in this paper.First，the composition of ISS was introduced，then the characteristics and working methods of SBand System，Ku band system，and Space-to-space Communication system were described.In the end，the characteristics of the system and the enlightenment to uswere summarized，which may serve as an important reference for the development of the TT&C system in China.

international space station；TT&C system；tracking and data relay satellite system；

V423.4+5

A

1674-5825（2014）02-0165-08

2013-10-15；

2014-03-15

郝玉濤（1983-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檩d人航天測(cè)控通信與應(yīng)用總體工作。E-mail：sunshinehyt@126.com